Open Access

Carmen Döbele

• Almost two decades ago, microRNAs were discovered as novel posttranscriptional regulators of gene expression. Since then, research efforts have uncovered their involvement in the control of various cellular processes including migration, proliferation and cell survival. Even more complex events, such as the formation of new blood vessels or organ development, have been shown to be tightly regulated and orchestrated by microRNAs. Due to their crucial regulatory role in tissue homeostasis in vertebrates, it does not come as a big surprise that dysregulated microRNA ex-pression is associated with pathology of diverse diseases. In this regard, the miR-17-92 cluster is a prime example since it has become famous for its amplified expression in tumours and its on-cogenic potential. Our lab demonstrated the expression of the members of the miR-17-92 cluster, namely miR-17, -18a, -19a, -20a, -19b and -92a, in endothelial cells and provided evidence for the anti-angiogenic activity of miR-92a in ECs as well as its important regulatory role in tissue re-covery after ischemia. In this work we addressed the function of the remaining members of the miR-17-92 cluster, i.e. miR-17, miR-18a, miR-19a and miR-20a, in endothelial cells and angiogenesis. Surprisingly, the individual members all displayed anti-angiogenic properties in endothelial cells in vitro, although overexpression of the whole cluster in transformed colonocytes was shown to promote tumour angiogenesis in a mouse model. In this context, we provide evidence that the individual miRs differentially affect the paracrine angiogenic activity of endothelial and tumour cells. Moreover, Antagomir-mediated inhibition of miR-17/20 in a mouse tumour model did not affect tumour angi-ogenesis, although miR-17/20 inhibition profoundly increased vascularization of Matrigel plugs. Thus, our research efforts suggest a differential involvement of the members of the miR-17-92 cluster in physiological and tumour angiogenesis. Additionally, we identified Janus kinase (JAK) 1 as a novel miR-17 target in endothelial cells and demonstrated the involvement of JAK1 in angio-genesis and in the phosphorylation of STAT3 in response to different cytokines in vitro. Overall, inhibition of specific members of the miR-17-92 cluster might represent an attractive therapeutic strategy to enhance angiogenesis in ischemic diseases. In the second part of the present work we investigated the therapeutic value of Antagomir-mediated microRNA inhibition in animal models of pulmonary arterial hypertension. Collectively, inhibition of miR-17 by the respective Antagomir revealed a significant improvement of pulmonary hemodynamics and cardiac function in both the chronic hypoxia mouse model and the mono-crotaline-induced lung injury rat model. Histomorphometric analysis of the lungs of the pulmonary hypertensive mice and rats uncovered a significant reduction of disease associated musculariza-tion of pulmonary arteries in Antagomir-17 treated animals compared to the control animals indicating interference with smooth muscle cell proliferation or survival. Probing of lung tissue of the pulmonary hypertensive rats for selected miR-17 targets uncovered a profound increase in the expression of the cyclin dependent kinase inhibitor p21 in the Antagomir-17 treated rats suggest-ing that inhibition of miR-17 impairs proliferation by impeding cell cycle progression. Analysis of miR-17 function in human smooth muscle cells in vitro corroborated the results from the animal experiments by demonstrating pro-proliferative activity of miR-17 and decreased levels of p21 in these cells. Collectively, our results indicate that Antagomir-17 improves pulmonary hemodyna-mics and cardiac function by interfering with vascular remodelling within the lung. Hence, inhibi-tion of miR-17 might be of therapeutic value to ameliorate the disease pattern in pulmonary arte-rial hypertension. In summary, the present work provides insights into the regulatory functions of members of the miR-17-92 cluster, especially miR-17, in blood vessels and suggests that specific inhibition of members of the miR-17-92 cluster might be a novel option to treat vascular diseases.
• MicroRNAs (miRs) sind kleine, nicht-codierende RNA-Moleküle, die durch Bindung an die 3´-UTR von mRNAs deren Abbau induzieren oder die Translation inhibieren. Der miR-17-92-Cluster besteht aus den maturen microRNAs miR-17, -18a, -19a, -20a, -19b und -92a. Der Cluster ist vor allem für sein oncogenes Potential bekannt, das zum Teil auf der Tumorangiogenese-fördernden Wirkung von miR-18 und -19 sowie dem pro-proliferativen Effekt von miR-17 und -20a beruht. Die Funktion von miR-92a in Endothelzellen und bei der Angiogenese wurde schon zuvor durch unsere Arbeitsgruppe beschrieben. Hingegen ist die Funktion der übrigen Clustermitglieder im vaskulären System ungeklärt. Der Fokus des ersten Teils der vorliegenden Arbeit liegt daher auf der funktionellen Charakterisierung von miR-17, -18a, -19a und -20a in Endothelzellen. Die Überexpression von miR-17, -18a, -19a und -20a in Endothelzellen führte jeweils zu einer signifikanten Hemmung der kapillaren Aussprossung in vitro, wobei miR-17 den stärksten anti-angiogenen Effekt bewirkte. Allerdings hatte lediglich die Inhibition von miR-17, -18a oder -20a eine verstärkte kapillare Aussprossung zur Folge, während die Inhibition von miR-19a in vitro keine Angiogenese-fördernde Wirkung erzielte. Die beobachtete zellintrinsische anti-angiogene Wirkung der einzelnen Mitglieder des miR-17-92-Clusters in Endothelzellen steht im Widerspruch zu der bereits in der Literatur dokumentierten Erhöhung der Tumorangiogenese nach Implantation von Tumorzellen, die den gesamten Cluster verstärkt exprimieren. Um zu untersuchen, ob diese Diskrepanz durch eine unterschiedliche Wirkung der einzelnen Clustermitglieder auf parakrine Faktoren zurückzuführen ist, wurde konditioniertes Medium von Endothelzellen und Tumorzellen, die jeweils miR-17, -18a, -19a oder -20a überexprimierten, in vitro hinsichtlich der angiogenenen Aktivität untersucht. Tatsächlich zeigte das konditionierte Medium der Tumorzellen im Vergleich zu dem der Endothelzellen nach Überexpression von miR-17, -18a oder -19a eine leicht verstärkte angiogene Aktivität. Diese Daten deuten auf zelltypspezifische Unterschiede der Clustermitglieder in Tumor- und Endothelzellen hin. Zur Inhibition der einzelnen miRs in vivo wurden Antagomirs eingesetzt. Nur die systemische Behandlung mit Antagomir-17, die sowohl miR-17 als auch miR-20a inhibierte, führte im Mausmodell zu einer erhöhten Vaskularisierung von implantierten Matrigelplugs, wohingegen die Behandlung mit Antagomir-18a, -19a oder -20a trotz effizienter Inhibition der entsprechenden miRs keinen statistisch signifikanten Effekt erzielte. Überraschenderweise blieb die Vaskularisierung von Tumoren im Mausmodell durch die Behandlung mit Antagomir-17 unbeeinflusst. Möglicherweise wird eine pro-angiogene Wirkung von Antagomir-17 in den Endothelzellen im Tumor durch parakrine Effekte der Tumorzellen kompensiert. Aufgrund des signifikanten Effekts von miR-17-Überexpression und -Inhibition auf Angiogenese in vitro und in vivo galt unser Interesse der Identifikation von angiogeneserelevanten Zielgenen dieser miR. Sowohl für den Zellzyklusregulator p21 als auch für die Janus Kinase 1 (JAK1) konnten wir eine Regulation durch miR-17 und eine Rolle in der in vitro-Angiogenese nachweisen. Mit Hilfe eines Luziferase-Reporterassays wurde JAK1 als direktes Zielgen von miR-17 validiert. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das therapeutische Potential der Antagomir-vermittelten Inhibition von miR-17, -21 und -92a in Tiermodellen der pulmonal-arteriellen Hypertonie (PAH) untersucht. Bei PAH handelt es sich um eine Erkrankung des pulmonalen Gefäßsystems, die durch einen Anstieg des Lungengefäßwiderstandes aufgrund verengter Lungenarterien und erhöhter Gefäßmuskularisierung charakterisiert ist und meist zur Rechtsherzinsuffizienz führt. Obwohl Antagomir-17, -21 und -92a den Hypoxie-induzierten Anstieg der Arterien-Muskularisierung im Mausmodell signifikant reduzierten, zeigte lediglich Antagomir-17 eine generelle Verbesserung der Hämodynamik innerhalb der Lunge und eine reduzierte Hypertrophie des rechten Ventrikels. Die positiven Effekte von Antagomir-17 auf Lungen- und Herzfunktion wurden in der Monocrotalin-induzierten PAH in Ratten bestätigt. Die Untersuchung der Rattenlungen belegte einen Anstieg des Zellzyklusinhibitors p21 sowohl auf mRNA- als auch Proteinebene. In vitro-Experimente mit humanen Gefäßmuskelzellen aus der Lunge zeigten, dass die Überexpression von miR-17 zu einer Reduktion von p21-mRNA führt und eine Erhöhung der Proliferation zur Folge hat. Umgekehrt führte Antagomir-17 zu einem leichten Anstieg von p21-mRNA und -Protein in den Gefäßmuskelzellen. Aufgrund dieser Daten schlussfolgerten wir, dass Antagomir-17 vermutlich durch Steigerung der p21-Expression die Proliferation der Gefäßmuskelzellen in der Lunge bremst und somit die Muskularisierung der Lungenarterien reduziert, was zu einer Verbesserung der Hämodynamik in der Lunge beiträgt.